大空間區域空調箱自動化控制系統應用解析

朱園園（上海市建筑科學研究院有限公司， 上海 200032）

空調自控系統是將暖通空調系統與自動化控制系統相結合，通過計算機技術實現對空調的自動控制與調節的系統[1]。可為提供暖通空調創造舒適的工作、生活環境，同時能實現最佳的經濟運行，減少能源的消耗。

市級醫療機構公共區域空間較大，室內空間溫度梯度較大，室內溫度干擾源較多。此類干擾源分別來自外部干擾和內部干擾。外部主要是與室外空氣的熱流動，內部主要是人員的流動及如照明、電子設備等發熱器件對室內溫度產生的影響[2]。因此，采用單一的控制模型無法滿足控制要求，且無法抑制或消除此類干擾。本系統通過模糊邏輯控制技術與 PID（Proportional-Integral-Derivative Control，比例-積分-微分控制）控制技術相結合的控制方式，合理調節控制方案。

1 系統設計

空調箱自控系統主要由 3 部分組成，分別為空氣狀態參數的檢測、空氣狀態參數的自動調節、空調工況的判斷及其自動切換。

1.1 空氣狀態參數的檢測

在空調控制系統中，空氣狀態參數常用的傳感器有溫度傳感器、濕度傳感器、壓力傳感器、CO2傳感器等，傳感器的慣性和精度對空調控制系統的精度影響較大。空調系統屬于分布參數系統，空調區內各處的空氣狀態參數表現為一個分布場，取決于氣流組織和負荷分布等因素。空調控制系統只能保證傳感器所處空間位置的空氣參數的控制精度。要使整個空調區內取得良好的空調效果，還必須合理地選定傳感器的設置位置。

1.2 空氣狀態參數的自動調節

空氣狀態參數的自動調節是空調控制的核心部分。空調控制中被調對象常見為溫度、濕度兩種。被調對象的通常采用 PID 調節器方式。在這種常規調節系統中，兩個被調參數被分別控制，兩者之間的耦合關系則被視為干擾。因此，通過計算機軟件系統實現模糊化控制時，可使被調參數間實現解耦控制，進而可實現適應控制。室溫自動調節系統見圖 1。

圖 1 室溫自動調節系統方塊圖

1.3 空調工況的判斷及其自動切換

空調的最優工況（工作狀況）會隨建筑物外部的氣候條件和內部的負荷狀況漂移，常規系統按季節負荷事先繪制出建筑物空調的全年工況分區圖。在判斷工況時，由于量測精度的限制，工況分區內會出現邊界重疊現象，因此本系統采用模糊化控制技術。當工況自動切換時，保證系統穩定，使其在邊界重疊區不出現“競爭”和振蕩。

空調自控系統簡單工作流程如下。

（1）將安裝在空間內的各傳感器檢測到的數據傳輸至現場控制器，控制器將檢測的數據與預定設置的參數、數據模型等內容進行比較分析。

（2）通過系統的預設的算法，分析出輸出的信號值。

（3）通過控制器將信號值輸出至風閥、水閥、風機等執行機構，從而調節空間內的風量、溫度等參數，使室內環境達到最佳狀態。

2 系統功能

空調箱自控系統主要功能包括以下幾方面。

（1）所有新風空調機組均采用 DDC （Display Data Channel）一對一的控制策略，提高了系統運行穩定性。

（2）過濾網壓差開關的作用是監視過濾網的暢通情況。當過濾網發生堵塞時，過濾網兩段壓差增大。當超過設定值后，壓差開關狀態改變，發出報警信號，指示過濾器淤塞報警，提醒維保人員及時清洗或更換設備。

（3）新風風門與送風機實現聯動功能。當送風機啟動后，新風風門進入控制模式，根據要求調節風門開度。送風機停止后，新風風門聯鎖關閉，以防止室內冷量或熱量外溢；同時減少灰塵進入，保持新風機組內清潔。

（4）調節冷熱盤管回水調節閥開度以達到控制冷凍（加熱）水量的目的，聯合調節變頻送風機頻率。

（5）根據新風和回風的溫度、焓值計算以及空氣質量的要求，控制新風、回風閥門的開關，使系統在最佳的風量的狀態下運行，保證空調房間的空氣質量良好，同時優化系統設備運行。

（6）檢測送風機兩側壓差，以得知風機的工作狀態。

3 工況模式

3.1 夏季模式

（1）夏季節能模式。當連續 10 min 以上室外焓值 ＞80 J/g，且室外溫度＞ 32 ℃、室內 CO2濃度 ＜ 10-3時，空調箱系統將關閉比例新風閥，打開回風閥至 100%，冷熱盤管水閥則通過室內溫度值進行 PID 正向調節控制，送風風機則定頻輸出。

（2）夏季普通模式。空調箱系統啟動時，初始新風閥開度為 15%，回風閥則開至 85%，冷熱盤管水閥則通過室內溫度值進行 PID 正向調節控制，送風風機則定頻輸出，在運行過程中新風閥開度根據室內 CO2濃度進行 PID 正向調節控制，送風風機頻率則根據室內溫度值再進行模糊化控制。

3.2 冬季模式

（1）冬季節能模式。當連續 10 min 以上，室外焓值＜ 室內焓值，室外溫度 ＜ 0 ℃、室內 CO2濃度 ＜ 10-3時，空調箱系統將關閉比例新風閥，打開回風閥至 100%，冷熱盤管水閥則通過室內溫度值進行 PID 反向調節控制，送風風機則定頻輸出。

（2）冬季普通模式。空調箱系統啟動時，初始新風閥開度為 15%，回風閥則開至 85%，冷熱盤管水閥則通過室內溫度值進行 PID 反向調節控制，送風風機則定頻輸出，在運行過程中新風閥開度根據室內 CO2濃度進行 PID 正向調節控制，送風風機頻率則根據室內溫度值再進行模糊化控制。

3.3 過渡季節模式

過渡季節模式為全新風模式。當室外焓值與室內焓值相近似，室外溫度 ＜ 22 ℃ 時，系統初始關閉冷熱盤管水閥，新風閥則全部打開，送風風機處于定頻狀態。之后系統采用焓值控制方式，根據室內空氣溫度和室外焓值的模糊計算，以控制新風閥的開度，調節新風和回風的比例來滿足室內的溫度要求。

4 控制技術

4.1 模糊控制

模糊邏輯是指模仿人腦的不確定性概念判斷、推理思維方式。對于模型未知或不能確定的描述系統以及強非線性、大滯后的控制對象，應用模糊集合和模糊規則進行推理，表達過渡性界限或定性知識經驗，模擬人腦方式，實行模糊綜合判斷，推理解決常規方法難于對付的規則型模糊信息問題[3]。由于大空間區域內的空調箱系統送風的線路較長，本項目沿途受干擾時間長、干擾源復雜，因此將空間內的溫差控制在最小范圍內較難。同時，相應的系統時間延遲和時間常數增大，具有較大的溫度梯度分布和大的熱慣性特征。加之負荷受內外干擾較大等不確定因素的影響，無法建立精確的數據模型。

模糊控制無須建立數學模型，是一種基于規則的控制。模糊控制根據系統的輸入輸出結果數據，再根據現場操作人員的控制經驗及相關專家知識對系統進行模糊化控制。模糊控制直接采用語言型控制規則，在設計中需要建立被控對象的精確數據模型，這樣設計簡單，使其控制機理和策略易于接受。模糊控制原理見圖 2。

圖 2 模糊控制原理圖

模糊控制特點如下。

（1）模糊控制比較容易建立語言控制規則，因而適用于一些數學模型難以獲得、動態特性不易掌握、變化量比較顯著的對象。

（2）模糊控制相較于傳統控制方式具有相對的獨立性，利用控制規則與專家經驗，容易找到折中的方式。

本項目空調自控系統模糊化控制分以下幾個步驟。

（1）模糊化。將通過量化處理的數字量，轉換成模糊集中的隸屬函數。

（2）模糊邏輯推理。根據操作經驗或專家經驗制定出模糊控制原則，進行模糊邏輯推理，以得到一個模糊輸出集合。

（3）去模糊化。由輸出模糊隸屬函數用不同的方法找一個具有代表性的精確值作為控制量。

4.2 PID 控制

PID 控制有著原理簡單、使用方便、適應性強等特點，同時具有控制精度低、抗干擾能力差等缺點。模糊自適應PID 控制是在 PID 算法的基礎上，以誤差e和誤差變化率ec作為輸入，利用模糊規則進行模糊推理，查詢模糊矩陣表進行參數調整，來滿足不同時刻的e和ec對 PID 參數自整定的要求。

同時為了提高水閥控制進度，系統中空調機組的盤管水閥通常采用雙閉環串級 PID 模型進行控制。雙閉環串級 PID模型進行控制原理見圖 3。

圖 3 雙閉環串級 PID 模型進行控制原理圖

系統采用雙信號輸入、單信號輸出模式，其中輸入信號分別為回風溫度設定值T0與實際回風溫度T之間的差值及溫差變化率 ?T，輸出信號為冷水閥開度值W。

如圖 3 所示,首先根據設定的室內溫度與回風溫度的差值通過 PID 算法確定理想的送風溫度，再通過送風溫度與實際溫度的差值確定盤管水閥開度。此種雙 PID 的串級控制方法在控制精度與相對調節響應速度上優于單級 PID 閉環控制方法。

4.3 風機變頻

空調箱風機節能的重要手段為采用變頻調節技術。相對于水泵變頻而言，風機變頻更容易收到較好的節能效果，可調范圍更大。對于負荷變化較大的建筑，有效的節能方案之一就是采用風機變頻的控制調節策略。采用風機變頻控制調節時，當風機的風量降到額定風量的 50% 時，風機電耗可以降到其額定功率的 1/8，具有明顯的節能潛力。

5 結 語

空調箱自控系統的應用尚有提升空間，尤其在提高控制策略方面，如最佳啟動時間的優化，系統應能根據實際使用的時間和空調系統實際啟動，提前開啟空調設備，以實現實際使用時已進入舒適環境的目的，但提前開啟的時間應為最短。模糊化控制效率的提升，隨著系統的廣泛應用，已獲得更多的基礎數據與控制經驗，逐步優化模糊化控制效率，從而使其能更快適應各種工況。

總而言之，實現空調系統的自動化，不僅可以提高調節質量，降低冷、熱量的消耗，節約能量，同時可以減輕勞動強度，減少運行人員，提高勞動生產率和技術管理水平。空調系統自動化程度也是反映空調技術先進性的一個重要方面。因此，隨著自動調節技術和電子技術的發展，空調系統的自動調節必將得到更廣泛的應用。